CN100539280C - 限定甲醇穿过电解质的燃料电池基础元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有PEM(质子交换膜)类型燃料电池基础元件，当除了所有的可以反作用该阴极的其它类型以外仅仅质子向该阴极迁移时，该元件具有较高的效率。该元件主要由穿过有一些管道系统(26)的硅基片(25)构成，这些管道系统(26)通向槽部的底部。该阴极(20)设置在该槽部的底部上，并且在其上面设置第一电解质层(23)。阳极的内部部分(32)浸渍在两个电解质层(23)之间，而在该阳极的上面部分上设置了外部部分(31)。该内部部分(32)最好为格栅或者泡沫材料，该泡沫材料允许消耗朝向阴极迁移的燃料并且允许质子从中通过。

Description

限定甲醇穿过电解质的燃料电池基础元件
技术领域
本发明涉及具有(PEM)(质子交换膜)的质子交换膜类型，特别是(DMFC)(直接甲醇燃料电池)类型的燃料电池领域，使用甲醇或者其它醇类作为燃料，本发明特别涉及具有用于供应便携设备，即质轻且尺寸非常小的设备的燃料电池。
背景技术
燃料电池一般使用氢气作为燃料，氧气作为助燃剂。然而，在用于给便携设备供能的燃料电池中，燃料所占的体积必须降低到最小。考虑到液体燃料的能量单位体积密度一般高于氢气的能量单位体积密度，因此选择液体燃料作为燃料。
正如在其它的燃料电池中那样，燃料用于在阳极被催化氧化，以便提供一些质子，电子和导致二氧化碳的连续的氧化作用生成物。一般由
Figure C03800496D0003180920QIETU
类型的传导质子的膜构成的电解质朝向阴极引导质子，以便与氧气发生反应并且形成水。这种燃料电池的主要问题在于燃料穿过该电解质膜的渗透，以便在阴极直接与氧气反应。该反应有两个主要的结果，即在阴极产生降低该电池的整体电压的混合电压，和降低了由于整体功能的最大使用时间而对燃料的过多消耗。另外该燃料在电解质中的横向迁移一般不可以避免，因为质子导体含有水质系统以便有利于质子的通过并且燃料在该水质系统中扩散非常快，其中燃料可溶于该水质系统。
国际申请WO-10/37357描述了具有硅基片的燃料电池，其中钯、铌、钽或者钒制的密封格栅位于阳极和阴极之间，并且最好连接到阴极上。这个原理完全是物理的，即该薄膜构成了甲醇通过的障碍物。另外，该方法具有下述的两个主要缺点：
-由在该金属膜中的吸收/扩散/析出反应导致的该质子迁移的减慢；
-在该膜中阻挡了水的运动，因此建立了更加干燥并且因此较少的传递离子的区域。
本发明的目标是解决这些缺点并且提出不同的概念，以便完全为了通过在该电解质中使用甲醇增加该电池的效率，防止甲醇穿过电解质层直到阴极。
发明内容
因此本发明的主要目标是包括在阴极和阳极之间的电解质的燃料电池的基础元件。
根据本发明，燃料电池的基础元件，包括在阳极和阴极之间的电解质(3，23)，其特征在于，阳极包括设置成浸渍在电解质(3，23)中的内部部分(12，32)，该内部部分电连接到与该电解质(3，23)的一个侧面接触的构成所述阳极的外部部分(11，31)，该阳极构成为允许质子机械通过以及对电解质的水含量进行平衡的水运动，并且该阳极由一种允许氧化该燃料的材料制成。
该电解质最好为薄膜形式或者层形式。
该内部部分可以包括多个不同材料层。
该内部部分最好平行于该外部部分。
该内部部分还可以包括至少一种泡沫材料。
该内部部分最好可以实施为一个或者多个格栅形式。
在本发明的基础元件的优选实施例中，燃料为一种醇，最好是选自乙醇、甲醇和乙二醇。
附图说明
本发明和其不同的特征将在参照附图阅读了随后的说明书后被很好地理解，附图包括：
-图1为截面图，本发明的基础元件的主要原理；和
-图2为部分截面图，根据本发明的基础元件的特别的实施例。
具体实施方式
实现上述的目标的方式总是在于使得在电解质中在燃料到达阴极之前使燃料发生反应。
图1示出了该基础元件的一部分的截面图，其很好示出了所应用的原理。附图标记为3和4的电解质占用了该元件的主要部分。在一侧面，即右侧在该电解质4的右侧部分的外部表面上设有阴极2，该阴极2按常规方式设置。在该电解质3的外部表面的左侧部分上设有阳极的外部部分11。该阳极还包括内部部分12，该内部部分12平行于外部部分11并且浸渍在该电解质的中间。该内部部分12通过连接10电连接到外部部分。这个包括连接10、外部部分11和内部部分12的组件，通过一导体13连接到该元件的外部。必须指出该阳极的内部部分12不包括由不可机械通过的障碍物构成的平板或者实心层，而是相反该阳极的内部部分12包括格栅。该格栅具有多种不同的形式，网眼可以是圆的、方的、六角的或者其它形状，允许了质子通过以及对电解质膜的水含量进行平衡的水的运动。阳极和特别是由内部部分12构成的格栅，必须由允许氧化该燃料的材料构成，例如钯、铂或者钌或者其它。该内部部分因此允许不在该外部阳极处反应的燃料在这个位置反应，以便到达该阴极的燃料的数量最小。
该电解质可以为任何的质子传导的聚合物，例如
Figure C03800496D0003180920QIETU
。这些电极最好是以铂为基。该燃料可以是醇，例如乙醇，甲醇，乙二醇。
表示该电解质的内部3和4的几个箭头示出了燃料从阳极向阴极迁移，并且示出通过该阳极的内部部分限定迁移现象。在该阴极2的侧面导致了质子与氧气的反应，因此产生了水。
在这些附图中，设置了该阳极的单一的内部部分12。然而可以构思多个电连接到外部部分11的内部部分12。
图2部分地和截面地参照了燃料电池的基础元件的更具体的实施例，特别是其制造方法的实施例。
因此，利用硅基片25来支撑该组件。该硅基片25在附图左侧具有垂直于上部表面和倾斜的斜面27的供给氧气的通道系统26。该硅基片25组件因此构成了槽部，必须在该槽部的内部生产该组件。
制造该组件的第一阶段在于在该硅基片25的一个表面上蚀刻出一个或者多个槽部。为一截面的图2示出了这些槽部中的一个的边缘形状。通过化学腐蚀，更精确地说通过基础腐蚀例如用加热的氢氧化钾来制造这些槽部。
第二阶段在于在该基片25的槽部底部上气相沉积由金属收集器构成的阴极20。该阴极20的厚度为微米数量级。
第三个操作在于在该阴极20上通过表面涂饰沉积用于催化氧气的还原反应的活性层35。该活性层35是镀铂石墨和PVDF即聚氟乙烯粘合剂的混合物。该层的厚度是几个微米。
第四阶段在于沉积该电解质23的第一部分，该电解质23的第一部分必须覆盖该第一活性层35直到由倾斜面27构成的槽部的边缘。该电解质23是表面涂饰形式的
Figure C03800496D0003180920QIETU
溶液。该层具有20微米数量级的厚度。通过离心进行展开，然后干燥。该电解质23还可以由下述的制剂构成：聚酰亚胺、酸性硫酸基的聚苯醚砜、酸性硫酸基的聚苯乙烯和其酸性硫酸基的衍生物，酸性硫酸基的聚醚紫罗兰酮和酸性硫酸基的衍生物，酸性硫酸基的聚苯并恶唑，聚苯并咪唑及其衍生物，诸如对苯和聚对二甲苯的聚芳撑及其酸性硫酸基的衍生物。该电解质23可以薄膜形式沉积。
随后的步骤在于，沉积阳极的内部部分32，该内部部分在这个例子中是由非密封的单一层构成，但是可以由多个不同材料层构成。该内部部分32被气相(PVD)沉积。该沉积是在氩等离子体3mbar的压力下通过金属掩模进行的以便实现格栅。在该槽部的侧面，更精确地说在倾斜面27上通过由同样的沉积获得的平板的延长继续该阳极的内部部分32，该平板的延长构成了与同样构成阳极的外部部分31的电连接30。这样允许获得了整个阳极的电一致性。
随后的步骤在于以与第一部分相同的方式，沉积该电解质23的第二部分。
随后的步骤在于通过表面涂饰在由混合了
Figure C03800496D0003180920QIETU
镀金的炭构成的阳极的侧面上进行活性层35的沉积。然后该阳极的外部部分31通过喷洒阴极等离子体而获得。该外部部分31延长到该槽部的边缘，即直到连接30处。在该组件外部，以与阳极的内部部分32相同的方式，延长该层以便构成气相沉积的连接装置34。该基片25的槽部形式因此允许了将由外部部分31和内部部分32构成的两个阳极层连接成组件并且构成了该连接30。
在图2中示出的实施例中，已经表示了单一的内部部分32。很可能构思将多个连续的内部部分插入在更大的电解质层中。
不同的层的沉积也可以通过气相沉积、化学方法、喷洒、表面涂饰、浸湿或者离心沉积来实现。
本发明特别应用于燃料电池系统，其通过诸如甲醇燃料或者其它液体燃料或者可以穿过所应用的电解质迁移的气体进行工作。本发明，在具有对于气体特别大的透过率的非常细的膜情况下还能够用于使用氢气作燃料的电池。

Claims (9)

1 燃料电池的基础元件，包括在阳极和阴极之间的电解质(3，23)，其特征在于，阳极包括设置成浸渍在电解质(3，23)中的内部部分(12，32)，该内部部分电连接到与该电解质(3，23)的一个侧面接触的构成所述阳极的外部部分(11，31)，该阳极构成为允许质子机械通过以及对电解质的水含量进行平衡的水运动，并且该阳极由一种允许氧化该燃料的材料制成。
2 根据权利要求1所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，电解质(3，23)为一薄膜的形式。
3 根据权利要求1所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，电解质(3，23)为一层的形式。
4 根据权利要求1所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，该内部部分(12，32)平行于该阳极的外部部分(11，31)。
5 根据权利要求1所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，该内部部分(12，32)由至少一个格栅构成。
6 根据权利要求1所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，该内部部分(12，32)由至少一个泡沫材料构成。
7 根据上述权利要求任一项所述的燃料电池的基础元件，其特征在于，该内部部分(12，32)由多个不同材料层构成。
8 根据权利要求1所述的基础元件，其特征在于，该燃料为醇。
9 根据权利要求8所述的基础元件，其特征在于，该醇选择为乙醇、甲醇或者乙二醇。
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